含錫和鎳的銅－磷釺焊合金的製作方法

2023-05-04 07:25:16 2

專利名稱：含錫和鎳的銅－磷釺焊合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及含錫(Sn)和鎳(Ni)的銅-磷釺焊合金，涉及銅-磷合金傳統的構成元素，特別是涉及不含傳統構成元素中的銀(Ag)元素的銅-磷釺焊合金，具有改善低溫特性，如降低熔點、降低工作溫度5～10％、允許低溫釺焊能力，且可以提供在價格上很有競爭力的銅-磷釺焊合金。
背景技術：
一般來講，釺焊一直是用於加熱和冷卻裝置以及冷藏器製造中金屬間接合的重要手段，長期應用於不同工業中。目前，如一般加熱、冷卻設備，冷藏設施等的製備使用有數百個釺焊接頭。釺焊也用於銅管與由銅或鐵製成的管件或部件間的連接，且分類為基於工作溫度的硬釺焊和軟釺焊。
由於釺焊經濟便宜，一直是加熱裝置、冷卻裝置和冷藏設備生產中金屬連接的重要的優選方法，適應這些設備的容納液體或氣體的封閉系統或結構的管道傳輸的需求。
尤其是，釺焊是通過加熱方式來連接金屬的方法，用低熔點的金屬來連接金屬，而不會熔化其表面，結果是兩種金屬間的結合堅固且緻密，沒有縫隙。從而，釺焊被用於相類似的金屬間、不同材料的金屬間的連接，或具有不同熔點的金屬間的連接。
近來，關於低溫釺焊即在低溫下操作而不是一般的氣焊和弧焊的研究取得了積極的進展，在這裡，釺焊合金的選擇是重要的。在這一點上，使用與基材系統相匹配的合金。由於合金熔點低於基材，在操作中它作為添加物。進而，由於低溫釺焊合金可以在比基材熔點的低溫下操作，不會因銅管或鋁材的熱焊引起焊接部基材的損失，所以基材使用壽命長，且磨損和形變小，因晶體緻密而強度高。釺焊效果好，具有超級粘合性和透氣性，氣、電能的消耗則很少，原因是釺焊的操作可簡單地採用焊槍，不是用接收乙炔氧化物的容器等。初學者也可很容易地操作釺焊。
特別是，釺焊合金可分為用於銅(Cu)與銅(Cu)或青銅(Cu-Zn)與青銅(Cu-Zn)的銅-磷釺焊合金，以及用於銅(Cu)與鐵(Fe)釺焊的銀釺焊合金。
在此說明書中，本發明限於銅-磷釺焊合金。一般來講，銅-磷釺焊合金用於銅(Cu)與銅(Cu)或青銅(Cu-Zn)與青銅(Cu-Zn)的釺焊中分別不採用焊劑。焊劑是釺焊加熱時用於攔截金屬表面防止在空氣中氧化的，在加熱中熔化而激活，以吸收氧化物且輔助金屬的熔化和流動。這裡所說的銅-磷釺焊合金所含的磷(P)元素作為基本元素起焊劑作用。
另外，銅-磷釺焊合金設計成杯狀，用來保持釺焊基材間的適當空隙，依據構成元素的比例，現已知有多種。
一般來講，銅-磷釺焊合金元素的構成是為了減少基材的氧化和變形，所以在其熔點和隨之而來的性能上應該是優秀的。為了實現這一目標，鎘(Cd)元素可以包含在內。然而，由於鎘元素對人體有害，人們在研究新的替代用元素上又有了長足的進步。
進而，傳統的銅-磷釺焊合金通過加入銀(Ag)元素或者是錫(Sn)元素製成，或者是將他們混合到含有磷元素和餘量的銅元素的成份中。
銀(Ag)元素在高溫下能改進如下性能增加強度，在釺焊時減少工作溫度；然而多加貴重的銀不經濟，銅-磷釺焊合金在這點上就具有優勢。
本發明對具有滿意的低溫釺焊(如熔點)需求能力的新構成元素的研究結果是去除價格昂貴的銀(Ag)元素，排除了對人體有害這一傳統問題。本發明的成就在於提供一種通過加入錫(Sn)元素、鎳(Ni)元素實現具有低溫下釺焊能力的銅-磷合金，及以適宜的含量把他們與傳統的含有磷(P)元素、餘量為銅(Cu)元素成份的銅-磷釺焊合金混合。所以，本發明銅-磷釺焊合金在釺焊時具有降低工作溫度的能力，可減少加熱所需求的時間及費用，且，由於低溫釺焊可減少基材的氧化和變形。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有低溫釺焊操作能力的銅-磷釺焊合金。
本發明的另一目的在於提供一種具有低溫釺焊操作能力的銅-磷釺焊合金，添加錫(Sn)元素、鎳(Ni)元素，把他們與傳統的混合有磷(P)元素及餘量銅(Cu)元素的銅-磷釺焊合金成份混合。
為了實現上述目的，本發明所提供的銅-磷釺焊合金，包含4.8～7.5wt％磷(P)，0.2～7.0wt％錫(Sn)，0.2～6.0wt％鎳(Ni)，及餘量的銅(Cu)。
所述銅-磷釺焊合金可進一步包括0.001～3.0wt％矽，具體地說是，本發明所提供的銅-磷釺焊合金包含4.8～7.5wt％磷(P)，0.2～7.0wt％錫(Sn)，0.2～6.0wt％鎳(Ni)，0.001～3.0wt％矽，及餘量的銅(Cu)。
本發明銅-磷釺焊合金，可在工作溫度為530℃～790℃情況下進行釺焊，即比傳統工作溫度低5～10％，所以可在低溫下進行釺焊操作。
還有，本發明銅-磷釺焊合金的形狀可以選自線形、棒形、卷形、環形、矩形中的任意一種。
具體實施例方式
下面對本發明作進一步詳細說明。
本發明提供一種低溫銅-磷釺焊合金，包括磷(P)和餘量的銅(Cu)，其特徵是包含4.8～7.5％磷(P)，0.2～7.0％錫(Sn)，0.2～6.0％鎳(Ni)，餘量的銅(Cu)。本實施例中，下同，含量百分比例為重量百分比例(wt％)。
銅-磷釺焊合金中所包含的磷(P)元素是必要元素，它具有焊錫的功能，在銅(Cu)與銅(Cu)或青銅(Cu-Zn)與青銅(Cu-Zn)釺焊過程中採用攔截金屬表面與空氣接觸的辦法來防止加熱時基材表面的氧化。然而，傳統的銅-磷釺焊合金含有磷(P)和餘量的銅(Cu)。
在這一點，磷(P)元素含量的優選值是4.8～7.5％，如果含量低於4.8％，熔點會變高，如果含量超過7.5％，因強度會降低而不可取。
本發明銅-磷合金的特徵是加入0.2～7.0％的錫(Sn)和0.2～6.0％的鎳(Ni)，用來替換元素銀(Ag)至傳統的含有磷元素和餘量銅元素的成份中，可進一步含有的銀元素用來降低釺焊溫度。
所述錫(Sn)元素是用來製造釺焊必要的元素，它可以改進釺焊能力和釺焊合金在低溫的特性，可優選用來替換對人體有害的鎘(Cd)元素，並比銀(Ag)元素更有價格的競爭力。
在實施例中，本發明所使用的錫(Sn)含量優選是0.2～7.0％，更優選的是1.0～6.0％，最優選的是4.0～6.0％。當錫(Sn)含量低於0.2％時，由於熔點變高、隨之性能變弱而不可取；如果含量超過7.0％，在抗拉強度上會引起嚴重的問題，且作為線材在工作中會產生嚴重的裂紋。
鎳(Ni)元素是用來改變低溫下的釺焊能力，還可改進銅-磷釺焊合金釺焊的機械性能。一般來說，由於良好的機械性能和化學特性，普通的鎳被用於如鋼鐵等的特殊合金。另外，由於其抗磨蝕性，鎳還用於鑄造硬幣的材料和不鏽鋼等。
本實施例中，鎳(Ni)元素含量優選是0.2～6.0％，更好的是1.0～4.0％，最好的值是1.0～3.5％。在本實施例中，當鎳(Ni)元素的含量低於0.2％時，作為線材在釺焊部位的抗拉強度就會變得很弱；當含量超過6.0％時，由於熔點增加及隨之因抗拉強度變好而降低性能，則不可取。
另外，除上述元素外，本發明銅-磷釺焊合金可以進一步含有0.001～3.0％的矽(Si)元素，矽(Si)元素是可選擇地加入用以對銅-磷釺焊合金起氧化預防作用；如果矽(Si)的含量低於0.001％，因添加劑太精細而不可取，含量超過3.0％會引起快速固化的問題。
本發明銅-磷釺焊合金可以進一步含有至少下列一組中的一種元素，這一組元素作為痕量元素分別為鉛(Pb)、鋁(Al)和鐵(Fe)，總含量為0.01～0.2％。所包含的痕量元素可在製造銅-磷釺焊合金時不可避免，也可以在製造中加入。然而，只要不影響銅-磷釺焊合金生產的功能變化，就可以加入上述含量。
根據所選含量，傳統的銅-磷釺焊合金包含5.8～6.7％的磷(P)和餘量的銅(Cu)時，工作溫度(比較例1)是735～845℃；傳統的銅-磷釺焊合金(比較例2)包含5.8～6.7％的磷(P)，4.8～5.2％的銀(Ag)和餘量銅(Cu)時的溫度是720～815℃；包含4.8～7.5％的磷(P)，0.2～7.0％的錫(Sn)，0.2～6.2％的鎳(Ni)和餘量的銅(Cu)的本發明銅-磷釺焊合金在530～790℃溫度下操作，依據所選元素的含量，更優選的操作溫度為640～750℃(參見表2)。
因此，本發明銅-磷釺焊合金可以降低工作溫度5-10％，用以允許低溫釺焊，所以本發明可以應用於低溫釺焊情況。
進一步說，本發明銅-磷釺焊合金形狀可以選自線形，棒形，卷形，環形和矩形中選出的任意一種，其線形直徑為Φ0.4-4.0mm，棒形的線直徑為Φ1.2-4.0、長度為50-100mm，卷形、環形的線直徑為Φ0.8-3.0mm，內徑為Φ4.0-40mm，矩形的厚度為500-1000mm。
另外，本發明銅-磷釺焊合金可以在替換了傳統的銅-磷釺焊合金所含有的銀(Ag)元素的低價格情況下製備，表現為抗拉強度比傳統的釺焊合金改善了5-10％，或者是與傳統的釺焊合金相似。
下面，將通過優選實施例對本發明作進一步的詳細說明。
這些實施例是用來更進一步地描述本發明，其優選實施例並不限制本發明的保護範圍。
實施例1-3銅-磷釺焊合金1-3的製備銅-磷釺焊合金的製備是按如下表1中的成份比例混合而成。
比較例1-8傳統的銅-磷釺焊合金1-8的製備。
根據如下表1的成份及比例製備傳統的銅-磷釺焊合金，然後與優選的實施例1-3的本發明銅-磷釺焊合金比較其物理特性。表1可見，其它元素的總量為鉛、鋁、鐵的混合量，或它們的混合物。比較例中位於下方的括弧裡的是已知銅-磷合金產品名。
表1銅-磷釺焊合金的製備


實驗例1銅-磷釺焊合金物理特性的測試本發明實施例1-3和比較例1-8製備的銅-磷釺焊合金，低溫釺焊的可能性測試進行如下1.溫度測試對於實施例1-3和比較例1-8製備的銅-磷釺焊合金，根據溫度分析儀(DTA，Thermal Analyzer)實施狀態變形的測量(the phase transformation)。
測試結果見表2，進行固相狀態的溫度即合金在固態融化的溫度，和液相狀態的溫度即合金從固體狀態完成融化時的溫度測試。
另外，工作溫度通過在釺焊銅合金產品上使用銅-磷釺焊合金的過程中進行測量，具體描述參見如下表2。
2.抗拉強度的測試關於實施例1-3和比較例1-8製備的銅-磷釺焊合金，釺焊所需的抗拉強度的測試在銅-銅合金(copper-copper alloy)及青銅-青銅合金(bronze andbronze)、採用由Lloyd公司(LF-plus)生產的抗拉強度測試裝置的條件下進行。
表2銅-磷釺焊合金物理特性的測試


從表2可見，與比較例1-8所製備的銅-磷釺焊合金相比，實施例1-3製備的銅-磷釺焊合金在釺焊時工作溫度可以降低5-10％，本發明可以應用於低溫釺焊。
在所有實施例中，關於銅-銅合金的抗拉強度，可通過基材的拉斷得以證明。
另外，由實施例1-3製備的銅-磷釺焊合金表明其抗拉強度比傳統的合金改進了5-10％，或者是相似於那些傳統的合金。從而，由於允許低溫釺焊，本發明銅-磷釺焊合金可以將基材的氧化以及基材的變形減到最小，原因是在釺焊時可降低工作溫度同時產生良好的抗拉強度，且不使用價格昂貴的、傳統的釺焊合金製備中所含有銀(Ag)元素。
綜上所述，除了傳統的銅-磷釺焊合金成份以外，本發明製備的銅-磷釺焊合金還含有錫(Sn)元素和鎳(Ni)元素，從而，與現有技術相比較，能使工作溫度降低5-10％。
因為排除了價格昂貴的銀(Ag)元素，本發明銅-磷釺焊合金經濟特性優越，而且它還有可能減少基材的氧化及變形。由於低熔點特性的改善，實現了低溫釺焊，比傳統的銅-磷釺焊合金在抗拉強度改進了5-10％或與之相似。
此外，採用本發明銅-磷釺焊合金使替換傳統銅-磷釺焊合金中所含有的銀(Ag)元素成為可能。
本發明所描述上述優選實施例，不是用來限制本發明保護範圍，本發明保護範圍是通過權利要求來限定的。並且本領域技術人員所做的未脫離本發明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含於本發明的專利範圍中。
權利要求
1.一種銅-磷釺焊合金，包含4.8-7.5wt％磷(P)，0.2-7.0wt％錫(Sn)，0.2-6.0wt％鎳(Ni)，餘量的銅(Cu)。
2.按照權利要求1所述的銅-磷釺焊合金，還含有0.001-3.0wt％的矽。
3.按照權利要求1所述的銅-磷釺焊合金，其中使用釺焊合金的釺焊工作是在工作溫度為530-790℃情況下操作的。
4.按照權利要求1所述的銅-磷釺焊合金，其中所述釺焊合金形狀選自線形、棒形、卷形、環形和矩形中的一種。
全文摘要
本發明公開一種銅－磷釺焊合金，除傳統的銅－磷釺焊合金構成元素外，其成份還包含錫(Sn)、鎳(Ni)，具體地說，本發明銅－磷釺焊合金包括4.8－7.5wt％磷(P)，0.2－7.0wt％錫(Sn)，0.2－6.0wt％鎳(Ni)和餘量的銅(Cu)。本發明銅－磷釺焊合金抗拉強度與傳統的銅－磷釺焊合金相近，甚至有5－10％的改進，而且不採用傳統的銅－磷釺焊合金中所含有的銀元素的改進使具有低熔點特性成為可能。特別是因為工作溫度降低了5－10％，釺焊可在低溫下操作，也使減少基材的氧化作用及形變成為可能，本發明銅－磷釺焊合金在價格上具有競爭力。
文檔編號B23K35/02GK101062535SQ20071010263
公開日2007年10月31日 申請日期2007年4月24日 優先權日2006年4月26日
發明者崔辰壽 申請人:崔辰壽